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用最小量冷却液法钻削航空铝-钛多层复合板
作者: 来源:本站原创 文章点击数:

随着空中客车飞机新机型的出现,使用铝合金材料制造飞机机身的比例不断下降。在对材料强度要求高的地方,已经用钛合金和合金钢代替铝合金。为降低飞机重量,提高飞行经济性,纤维增强复合材料的使用比例在上升。对于复合板构件而言,首先是选用钛合金和铝合金复合板,因为这样可以以最小的构件厚度获得最高的强度。在如机舱门等特殊结构处,也使用合金钢板,典型的是用Cr-Ni合金钢板。复合板件的数量和厚度等必须满足承载需求。这类复合板具有复合材料和连接材料的特性,也给加工带来了很大的问题。因为首先要对飞机机身上的这些复合板钻孔,然后再用铆钉将其联接起来。复合板在不同部位的层数(厚度)是不同的,因此可加工性也是不同的,但要求尽可能在一道加工工序中用一把钻头完成加工,这对钻头材料及其润滑形式提出了一个很高的要求。显然,对大构件机身而言,普通润滑方式是不适用的,应采用一种最小量冷却液(MMS)技术进行加工。
有关铝-钛合金复台板加工和铁合金的干切削加工方面的研究报道很少。在加工铝-钛合金复合板时,通过优选刀具材料、刀具几何参数和切削加工参数等,可提高切削效率。加工这种材料时,锋利又未折断的钛合金切屑会粘在刀具表面,使得铝合金板上孔径增大。对铝合金的干切削加工研究主要集中在铣削加工方面。使用MMS技术已成功地钻削过共晶铝合金。钻削变形铝合金时也可使用MMS法;在完全干式钻削铝合金深孔时,铝合金强烈的粘附作用会使刀具寿命迅速降低。使用MMS法和硬质合金钻头钻削TiAlV时,钻孔速度可由平时的vc=15~30m/min提高到vc=50m/min或更高,但会出现严重的排屑问题,且因温度过高出现切屑着火现象,因此需要增加一个缓冲切削循环。若采用高压冷却,可实现vc=90m/min的切削速度。本文介绍了在汉堡工业大学切削加工研究所根据Airbus的要求,对铝-钛合金复合板的钻削加工进行的系列研究中,不同加工工艺对钻削孔质量的影响。

1 试验

试验使用了4种结构的铝钛复合板,铝板材料为铝变形合金3.1364 T351(4.4%Cu-1.5%Mg-0.6%Mn);钛板材料为钛合金3.716411(6%Al-4%V)。铝钛复合板分别标记为Al-Ti(4.5mm铝板+1.2mm钛板)、Al-A1+3×2Ti(6衄铝板+4mm铝板+3层2蛐钛板1、A1.Al+5×2Ti(6mm铝板+6mm铝板+5层2mm钛板)、Al-Al+8×2Ti(6mm铝板+2mm铝板+8层2mm钛板)。一般使用Ø4.8~6.3mm的粉末冶金硬质合金(VHM)钻头,牌号K40和K30F(细晶);作为比较也使用含钴高速钢麻花钻头(HSS-E 1.3243)。另外还使用涂层刀具(TiCN,TiAlN)。试验在F.Deckel Type FP3A CNC钻铣机床上进行。使用了无毒无刺激性冷却液,包括脂肪醇产品A(良好生物降解)和产品B(快速生物降解)以及一种脂肪酸酯(完全生物降解)。采用干式切削的MMS法钻削,雾化后的冷却液再同压缩空气混合,从外部喷向钻头。最小量冷却液供给装置为Rexim Typ31105。喷嘴与刀具相距约30mm,喷嘴直径比钻头直径要大,大约有30%的冷却液喷到了钻头。用内径侧量仪测量不同板的孔径。

2 试验结果与分析

2.1 钻削铝-钛复合板的孔径

在对Al-Al+3×2Ti进行钻削时,发现第1块Al板的孔径比第2块Al板的直径小,但均大于钛合金板的孔径,铝板孔的内表面呈不平滑状。为了找出其原因,分别测量了单独钻削铝扳复合板、钛板复合板和Al-Al+5×2Ti复合板的孔径。可以看出,在对铝-钛复合板进行钻削时,铝板的孔径比钛板的孔径大,并且超出了公差许可;但在单独钻削铝板或钛板时,各块板的孔径均在允差范围内。
钻削铝-钛合金的切屑形态。钛台金切屑不易分类,大致呈不规则连续锯齿形,这是由不均匀塑性变形、周期性挤压和局部剪切变形所致。钛合金切屑的摩擦是产生铝-钛合金孔径超差的根本原因。试验发现,Ⅰ型切屑较少,Ⅱ型和Ⅲ型钛合金切屑对铝板的孔径影响最大。因此,控制钛合金的切屑流出量及切屑形态,是提高复合板孔径质量的主要方法。

2.2影响铝-钛复台板钻孔孔径的主要因素

  1. 不同冷却液对孔径的影响
  2. 进给速度对孔径的影响
  3. 钻头顶角对孔径的影响
  4. 对厚度相对小的铝-钛合金进行冷却液影响研究时,用TiCN涂层VHM锪孔钻以恒定进给速度钻削。每一种工具钻了约400个孔。冷却液供给量为0.40ml/min;每孔钻削时间约3s,使用冷却液量约0.02ml。在钻削Al-Ti(4.5+1.2mm)复合板时,由于锋利硬度高的钛台金切屑在排出过程中与台金板相摩擦,使得铝合金板的孔径比钛合金孔径要大。铝合金板的孔径尺寸公差分布于H8和H9之间,而钛合金板孔直径公差只在H8之下。
    对于三种冷却液而言,合金板的平均直径公差均在H8~H9间,相差不多,钛合金板直径变化也很小,两者相差15~20µm:铝合金板上孔的直径波动远大于钛合金板直径的波动。在钻削400个孔的试验结果中,孔径分布表现出使用脂肪酸时孔偏差最大。但在使用另外的同种刀具进行补测试验时,发现这种现象已不复存在,这可能表明了刀具供销商提供的刀具存在偏差,它对钻孔孔径的影响很大。这种偏差表现在刀刃主偏角(最大相差0'20")、进给后角(最大相差100")、进给前角(最大相差0'20")、刃带宽度(最大相差0.03mm),以及刀刃前后刀面的锋利程度和表面粗糙度的波动。
    使用A1-Al+3×2Ti板进行了进给速度对孔径的影响试验。试验结果表明,使用未涂层刀具时复合板孔径的波动范围与进给速度无关。但在使用涂层刀具时,随着进给速度的增加,钛板孔径相差5µm,孔径平均值增加。在vc=5~30m/min范围内,铝板孔径相差20µm。这是因为进给速度越高,温度升高,连续型钛合金切屑的比例越大,对钻扳孔径的影响增大。进给速度增加后,切屑排出速度提高,摩擦增大。钻削温度有所上升也使得MMS冷却雾化液的作用效果降低。
    使用两个顶角不同但其他几何参数相同的未涂层麻花钻钻头,分别钻削了25个A1-Al+3×2Ti复合板孔。随着钻头顶角的增大,铝板的孔径增大,在钻头顶角σ=140°~165°之间时,孔径平均值相差约20µm,而且孔径波动相差甚大,甚至超出了孔的允许上偏差H11。但是钻头顶角对钛合金板孔径的影响可忽略不计。上述结果与孔深也有关系。显然在第2块铝扳处,孔径最大:孔呈嗽叭形,而钛合金板上的孔仍为圆柱形。

2.3改善复合板钻孔尺寸精度的方法

  1. 增加退刀排屑行程
  2. 采用扩孔方式加工
  3. 减小钻头刃带宽度
  4. 增大进给前角
  5. 使用阶梯钻头
  6. 增加退刀排屑行程,排出生成的钛合金切屑,减少其对铝合金板孔径的影响。在钻削Al-Al+8×2Ti时,试验了两种一次钻通的方法。一种方法是在钻削第7层钛板前退刀一次;另一种方法是采用两次退刀行程,即在钻削第4层、第7层钛板前各退刀一次,此时铝板孔的表面质量比一次退刀行程的要好,第2层铝板的孔径平均值已在H11范围内。
    同时给出了加工Al-Al+8×2Ti板时的孔径尺寸,即预先钻孔、再采用二次退刀排屑法进行扩孔加工。扩孔钻(预钻孔径为4.8mm)钻削第4层、第7层钛板前各退刀一次,可以使孔径完全符合质量要求。
    减小钻头刃带宽度可以改善切削受力和排屑条件。在将正常刃宽由O.50~0.60mm减小到0.20~0.25mm后,加工Al-Al+8x2Ti板时,钛板的孔径波动很小,铝板的孔径波动和平均值均下降,孔径可完全符合质量要求。
    试验表明,加工Al-Al+8x2Ti板时,进给前角在增大到30°时第2层铝板的孔径质量显著提高。不过,此时需要考虑刀具的强度。试验中使用的刀具刀刃已进行了圆角增强处理。
    使用阶梯钻头可以得到非常好的钻孔质量。试验对使用锪孔钻退刀加工和阶梯钻退刀加工Al-Al+8×2Ti的结果进行了对比。在使用阶梯钻时铝扳的孔径偏差最小,钛板孔径几乎同钻头直径相同。退刀位置的确定同样是十分重要的。

3 结论

  1. 钛板切屑的摩擦磨损作用,是造成铝板孔径波动幅度较大、平均孔径值偏差大和孔里喇叭形的原因。
  2. 试验用的3种冷却液对钻削孔径影响不大。用涂层刀具加工时,钻削孔径同进给速度呈正比。钻头顶角越大。铝板的孔径越大,但钛板的孔径不变。
  3. 采用退刀排屑和扩孔方式加工,减小刃带宽度,增大进给前角和使用阶梯钻头可以减小孔径的偏差,保证加工孔径质量。



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